砷化镓基1.5微米量子阱结构及其外延生长方法

摘要

一种砷化镓基1.5微米量子阱结构，该结构为多层结构，其特征在于，包括：一GaAs过渡层；一第一GaAs势垒层，该第一GaAs势垒层制作在GaAs过渡层上；一第一GaNAs势垒层，该第一GaNAs势垒层制作在第一GaAs势垒层上；一GaInNAsSb量子阱层，该GaInNAsSb量子阱层制作在第一GaNAs势垒层上；一第二GaNAs势垒层，该第二GaNAs势垒层制作在GaInNAsSb量子阱层上；一第GaAs势垒层，该第二GaAs势垒层制作在第二GaNAs势垒层上；一GaAs覆盖层，该GaAs覆盖层制作在第二GaAs势垒层上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发光波长在1.5微米波段的镓铟氮砷锑(GaInNAsSb)/镓氮砷(GaNAs)/砷化镓(GaAs)量子阱结构及其外延生长方法，特别是指一种砷化镓基1.5微米量子阱结构及其外延生长方法。

背景技术

砷化镓基1.5微米量子阱结构是制作1.5微米半导体激光器的基本结构，1.5微米半导体激光器是干线光纤通讯系统中核心光器件。目前商用产品是铟镓砷磷(InGaAsP)/磷化铟(InP)激光器，由于InGaAsP和InP的折射率差异甚小，对有源区载流子的限制不足，导致激光器温度稳定性不好，最大特征温度仅70K左右。同时用InGaAsP/InP材料难以制备垂直腔面发射类型的激光器。因此研究新型GaAs基近红外发光材料是目前光电子研发领域的重要课题。自发现GaInNAs量子阱材料具有长波长发光特性以来，1.5微米GaAs基量子阱材料成为长波长激光器重要研究热点。其优越性在于：这种量子阱体系可以提高器件的温度特性、降低功耗，同时可使用对有源区载流子限制更强的铝镓砷(AlGaAs)作为包裹层和波导层，使器件结构设计更灵活。还与GaAs基微电子器件工艺相兼容，易于制备垂直腔面发射激光器。

目前如何获得即具有高发光效率和强度、同时又能拓展其发光波长至1.5微米波段的GaAs基量子阱材料是制备激光器、探测器等各种器件的必要前提条件。如何设计量子阱结构、优化生长参数等成为核心技术。

发明内容

本发明的目的在于，提出了一种砷化镓基1.5微米量子阱结构及其外延生长方法，可以大幅度提高发光强度，并实现用这种量子阱结构作有源层的激光器室温连续激射。

本发明一种砷化镓基1.5微米量子阱结构，该结构为多层结构，其特征在于，包括：

一GaAs过渡层；

一第一GaAs势垒层，该第一GaAs势垒层制作在GaAs过渡层上；

一第一GaNAs势垒层，该第一GaNAs势垒层制作在第一GaAs势垒层上；

一GaInNAsSb量子阱层，该GaInNAsSb量子阱层制作在第一GaNAs势垒层上；

一第二GaNAs势垒层，该第二GaNAs势垒层制作在GaInNAsSb量子阱层上；

一第二GaAs势垒层，该第二GaAs势垒层制作在第二GaNAs势垒层上；

一GaAs覆盖层，该GaAs覆盖层制作在第二GaAs势垒层上。

其中该GaAs过渡层的厚度为300纳米。

其中该第一GaAs势垒层的厚度为50纳米。

其中该第一GaNAs势垒层的厚度为20纳米。

其中该GaInNAsSb量子阱的厚度为7纳米。

其中该第二GaNAs势垒层的厚度20纳米。

其中该第二个GaAs势垒层的厚度为50纳米。

其中该GaAs覆盖层的厚度为100纳米。

本发明一种砷化镓基1.5微米量子阱结构的外延生长方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：先生长GaAs过渡层，然后降低生长温度后在GaAs过渡层上生长第一GaAs势垒层；

步骤2：在第一GaAs势垒层上生长第一GaNAs势垒层，然后生长GaInNAsSb量子阱层，再覆盖生长第二GaNAs势垒层；

步骤3：在第二GaNAs势垒层上生长第二GaAs势垒层和GaAs覆盖层；

步骤4：退火处理，完成器件的制作。

其中该GaAs过渡层的厚度为300纳米。

其中该第一GaAs势垒层的厚度为50纳米。

其中该第一GaNAs势垒层的厚度为20纳米。

其中该GaInNAsSb量子阱的厚度为7纳米。

其中该第二GaNAs势垒层的厚度20纳米。

其中该第二个GaAs势垒层的厚度为50纳米。

其中该GaAs覆盖层的厚度为100纳米。

其中所述的退火处理，是指要通过先升温后降低温度来实施对量子阱的退火处理。

附图说明

本发明分为量子阱结构设计和分子束外延生长方法，以及一个量子阱激光器的实施例，包含结构设计及分子束外延生长技术。下面结合附图详述本发明，其中：

图1是量子阱结构(层状)图；

图2是量子阱激光器结构(层状)图；

图3是量子阱室温光荧光(PL)谱图；

图4是量子阱激光器注入电流输出功率(I-P)和电流电压(I-V)特性曲线图；

图5是量子阱激射谱线图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种砷化镓基1.5微米量子阱结构10，该结构为多层结构，包括：

一GaAs过渡层11，该GaAs过渡层11的厚度为300纳米，此GaAs过度层11，起到平整衬底损伤、平滑表面的作用；

一第一GaAs势垒层12，该第一GaAs势垒层12制作在GaAs过渡层11上，该第一GaAs势垒层12的厚度为50纳米，此第一GaAs势垒层12形成下面两层的能量势垒的一个面；

一第一GaNAs势垒层13，该第一GaNAs势垒层13制作在第一GaAs势垒层12上，该第一GaNAs势垒层13的厚度为20纳米，此第一GaNAs势垒层13构成下一层量子阱的一个势垒带阶过度；

一GaInNAsSb量子阱层14，该GaInNAsSb量子阱层14制作在第一GaNAs势垒层13上，该GaInNAsSb量子阱14的厚度为7纳米，此GaInNAsSb量子阱层14为最核心的量子阱层；

一第二GaNAs势垒层15，该第二GaNAs势垒层15制作在GaInNAsSb量子阱层14上，该第二GaNAs势垒层15的厚度20纳米，此第二GaNAs势垒层15对称于第一GaNAs层，构成量子阱层的另一侧势垒带阶过度；

一第二GaAs势垒层16，该第二GaAs势垒层16制作在第二GaNAs势垒层15上，该第二个GaAs势垒层16的厚度为50纳米，此第二GaAs势垒层16为第一GaAs势垒层的对称势垒层；

一GaAs覆盖层17，该GaAs覆盖层17制作在第二GaAs势垒层16上，该GaAs覆盖层17的厚度为100纳米，此GaAs覆盖层17为隔离保护层。

请再结合参阅图1所示，本发明一种砷化镓基1.5微米量子阱结构的外延生长方法，包括如下步骤：

步骤1：先生长GaAs过渡层11，然后降低生长温度后在GaAs过渡层11上生长第一GaAs势垒层12，该GaAs过渡层11的厚度为300纳米，该第一GaAs势垒层12的厚度为50纳米；

步骤2：在第一GaAs势垒层12上生长第一GaNAs势垒层13，然后生长GaInNAsSb量子阱层14，再覆盖生长第二GaNAs势垒层15，该第一GaNAs势垒层13的厚度为20纳米，该GaInNAsSb量子阱14的厚度为7纳米，该第二GaNAs势垒层15的厚度20纳米；

步骤3：在第二GaNAs势垒层15上生长第二GaAs势垒层16和GaAs覆盖层17，该第二个GaAs势垒层16的厚度为50纳米，该GaAs覆盖层17的厚度为100纳米；

步骤4：退火处理，所述的退火处理，是指要通过先升温后降低温度来实施对量子阱的退火处理，完成器件的制作。

实施例

本发明砷化镓基1.5微米量子阱层状结构及分子束外延方法，如图1所示，文字说明如下：

GaAs过渡层11的厚度为300纳米。

在GaAs过度层11上是第一GaAs势垒层12，厚度为50纳米。

在第一GaAs势垒层12上是第一GaNAs势垒层13，厚度为20纳米。

在第一GaNAs势垒层13上是GaInNAsSb量子阱层14，厚度为7纳米。

在GaInNAsSb量子阱层14上是第二GaNAs势垒层15，厚度为20纳米。

在第二GaNAs势垒层15上是第二个GaAs势垒层16，厚度为50纳米。

在第二GaAs势垒层16上是GaAs覆盖层17，厚度为100纳米。

表1：量子阱结构及其分子束外延生长技术参数

层数外延层名称 厚度(纳米)  衬底温度(℃)/退火温度(℃)第六层GaAs覆盖层    100  700-580降温，时间7分钟  700℃退火1分钟  580-700升温，时间7分钟第六层第二GaAs势垒层    50  380-580升温第五层第二GaNAs势垒层    20  380第四层InGaNAsSb量子阱    7  380第三层第一GaNAs势垒层    20  380第二层第一GaAs势垒层    50  580-380降温第一层GaAs过渡层    300  580                           N+GaAs(100)衬底

此表按照量子阱层状结构，阐明了每一层的厚度、所含元素、衬底温度(生长温度)、和退火温度等。

本发明的实施例是采用上述量子阱结构作为激光器有源层的一种激光器结构，如图2所示，以及生长这种激光器20的分子束外延实施例。

GaAs过渡层，掺Si(N型)，浓度为3-5E+18/cm³，厚度为300纳米；

第一AlGaAs过度层21，Al组分从0％线性增加至50％。掺Si(N型)，浓度为1-3E+18/cm³，厚度50纳米；

第一Al_0.5Ga_0.5As波导层22，掺Si(N型)，厚度为1500纳米；

第二AlGaAs过度层23，Al组分线性减至0，掺Si(N型)，厚度为50纳米。

第一GaAs势垒层24，厚度50纳米；

第一GaNAs势垒层25，厚度20纳米；

GaInNAsSb量子阱26，厚度为7纳米；

第二GaNAs势垒层27，厚度20纳米；

第二GaAs势垒层28，厚度为50纳米；

第三AlGaAs过渡层29，Al组分从0％-50％线性增加，厚度为50纳米；

第二AlGaAs波导层30，掺Be(P型)，浓度1-3E+18/cm³，厚度1500纳米；

第四AlGaAs过度层31，Al组分从50％-0％线性减小，掺Be(P型)，浓度为1-3E+18/cm³，厚度50纳米；

第一GaAs接触层32，掺Be(P型)，浓度1-3E+19/cm³，厚度150纳米；

第二GaAs接触层33，掺Be(P型)，浓度3-5E+19/cm³，厚度40纳米。

实施例1

表2：1.5微米量子阱激光器结构

   层   数 外延层名称 厚度(纳米)  掺杂浓度  /cm³   衬底温度℃ 注解   13 第二GaAs接触层     40  p⁺3-5 E+19   580 掺Be接 触   12 第一GaAs接触层     150  p⁺1-3 E+19   580 掺Be接 触   11 第四Al_xGa_1-xAs (x＝0.5~0.0)过度 层     50  p⁺1-3 E+18   580 Al组分线 性变化   10 第二Al_0.5Ga_0.5As波导层     1500  p⁺1-3 E+18   580 掺Be波导   9 第三Al_xGa_1-xAs (x＝0.0~0.5)过度  层     50   700-580降温   700退火1分   钟   580-700升温 Al组分线 性变化 第二GaAs势垒层     50   380-580升温 势垒   8 第二GaNAs势垒层     20   380   380   380 势垒   7 InGaNAsSb量子阱     7 量子阱   6 第一GaNAs势垒层     20 势垒   5 第一GaAs势垒层     50   380 势垒   4 第二Al_xGa_1-xAs (x＝0.5~0.0)过度 层     50  n⁺1-3 E+18   580-380降   温 Al组分线 性变化   3 第一Al_0.5Ga_0.5As波导层     1500  n⁺1-3 E+18   580 掺Si波导   2 第一Al_xGa_1-xAs (x＝0.0~0.5)过度 层     50  n⁺1-3 E+18   580 Al组分线 性变化   1 GaAs过度层     300  n⁺3-5 E+18   580 掺Si过 渡                          N⁺GaAs(100)衬底 N型衬底

此表按照量子阱激光器层状结构，注明每一层的组分、衬底温度(生长温度)、退火温度，掺杂浓度以及类型(N型或P型)等。

采用本发明设计的量子阱材料的外延层结构和分子束外延生长技术参数，通过精确控制分子束外延生长条件、组分、外延层厚度等，可以实现室温下大于1.5微米波段的高强度发光，其室温光荧光谱线如图3所示。其注入电流-输出功率(I-P)特性和电流电压特性(I-V)曲线如图4所示，图5为室温连续激射谱线。